更新-基于UG的風(fēng)機(jī)葉片建模實(shí)現(xiàn)流程

1、目錄1引言11.1研究背景及意義21.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)31.2.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.2.2發(fā)展趨勢(shì)52基本概念及原理52.1翼型結(jié)構(gòu)基本概念52.2翼型空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)概念72.3風(fēng)機(jī)葉片的特征分析92.3.1葉片受力分析92.3.2幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)103葉片參數(shù)化建模的UG實(shí)現(xiàn)103.1UGNX 7.0簡(jiǎn)介103.2實(shí)現(xiàn)方法113.2.1草圖功能113.2.2關(guān)聯(lián)性123.2.3用戶自定義特征133.3參數(shù)化特征建模133.3.1葉片坐標(biāo)數(shù)據(jù)133.3.2繪制邊界曲線153.3.3繪制各截面曲線163.3.4創(chuàng)建葉片曲面193.3.5葉片延伸203.3.6創(chuàng)建葉片實(shí)體214結(jié)論23

2、參 考 文 獻(xiàn)24致謝25附錄1 相關(guān)英文文獻(xiàn)26附錄2 英文文獻(xiàn)譯文33摘要隨著非可再生能源的過度消耗，風(fēng)能、生物能等多種可再生資源日益被重視。風(fēng)力發(fā)電是目前利用風(fēng)能的主要形式，在多種可再生能源利用技術(shù)中比較成熟。葉片是風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，通常采用分段截面擬合進(jìn)行葉片體建模，在UG平臺(tái)上對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行參數(shù)化建模，采用葉片數(shù)據(jù)對(duì)葉片的截面進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用UG圖形的變換功能，確定各個(gè)截面的空間位置，并在UG曲面造型模塊中生成葉片的實(shí)體模型。完成葉片實(shí)體建模后，對(duì)葉片氣動(dòng)性能，葉片的剛度，強(qiáng)度和使用壽命等性能分析奠定了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)，為風(fēng)機(jī)葉片的深層次研究打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：葉片；UG；建模ABSTR

3、ACTWith the excessive consumption of non-renewable energy, wind energy, biomass energy and other renewable resources is gaining increasing attention. Wind power is currently the main form of wind energy utilization in a variety of renewable energy use of mature technology. The blades is an important

4、 part of ventilator. It is fitted with blades body by subsection. The method is for parametric modeling of ventilator blades in the UG platform. This paper shows section of blade design parameters by controlling thickness of the blade. Author uses UG graphics transformation function to determine the

5、 spatial location of each section. It generated solid model of the ventilator blades through the curve group based on UG surface modeling capabilities, this may lay the foundation for modeling of the series ventilator.Key words：Blade;UG;Modeling基于UG的風(fēng)機(jī)葉片建模1引言風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今可再生資源發(fā)電技術(shù)中最成熟，最具有大規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化前景的發(fā)展方

6、式。風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)已經(jīng)成為繼水電之后最重要的可再生能源，是近期發(fā)展的重點(diǎn)。風(fēng)能資源由于具有可再生和無污染的特點(diǎn)，而越來越受到電力行業(yè)高度的重視1。葉片作為通風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，在葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片受到離心力和氣流流動(dòng)引起的壓力，葉片是風(fēng)機(jī)主要受力部件，必須保證其可靠性。這就要求設(shè)計(jì)者應(yīng)用先進(jìn)的參數(shù)化建模方法解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方無法解決的問題，如葉片有限元力分析、氣動(dòng)性能、葉片力學(xué)特性等。葉片的三維建模需要建立不同空間位置的截面，這些截面的尺寸約束相同，參數(shù)化建模的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)可以將尺寸約束作為特征參數(shù)保存起來，并且在以后建模中修改相關(guān)的尺寸得到新的圖形。當(dāng)前，以CAD/CAE/CAM等計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)

7、發(fā)展為主線的先進(jìn)制造技術(shù)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，正在進(jìn)一步向自動(dòng)化、柔性化、集成方向發(fā)展2，制造業(yè)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造正從一個(gè)串行的流程逐步向并行的工程過渡，計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)領(lǐng)域每一項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用，都會(huì)給產(chǎn)品生產(chǎn)提供更為先進(jìn)的有效手段，同時(shí)潛移默化地改變著傳統(tǒng)生產(chǎn)的流程3。生產(chǎn)過程比較見圖1。圖1 生產(chǎn)過程比較1.1研究背景及意義隨著環(huán)保呼聲日益高漲和非可再生能源的過度消耗，風(fēng)能、生物能等多種可再生資源日益被重視。風(fēng)力發(fā)電是目前利用風(fēng)能的主要形式，在多種可再生能源利用技術(shù)中比較成熟。風(fēng)力發(fā)電有其自身獨(dú)特的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：（1）風(fēng)能儲(chǔ)量豐富。據(jù)世界氣象組織統(tǒng)計(jì)分析

8、表明，地球近地層的風(fēng)能總量約為13000億KW5。如有1%被有效利用，就可滿足人類對(duì)能源的要求。我國(guó)幅員遼闊，海岸線長(zhǎng)，風(fēng)力資源豐富，僅次于俄羅斯和美國(guó)，居世界第三位，據(jù)有關(guān)專家測(cè)算，我國(guó)風(fēng)能理論開發(fā)總量為32.26億KW，實(shí)際可供開發(fā)量為2.53億KW，居世界首位。（2）風(fēng)能是一種潔凈的可再生自然資源。不存在燃煤、燃油的環(huán)境污染問題，不會(huì)引起溫室效應(yīng)，不存在核電放射性廢料對(duì)人類的威脅。（3）風(fēng)力發(fā)電廠裝機(jī)規(guī)模靈活，建設(shè)周期短。既可以單臺(tái)安裝，又可多臺(tái)安裝，互不干擾；建設(shè)一般規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電廠，從基礎(chǔ)設(shè)施，到安裝投產(chǎn)，只需要半年到一年的時(shí)間，而火電、油電、核電約需310年的時(shí)間6。（4）風(fēng)力發(fā)電

9、的經(jīng)濟(jì)性日益提高。和火電相比，不存在建廠房、運(yùn)輸、除灰等問題；和水電相比，不存在筑壩、淹地、移民等問題。發(fā)電后折舊費(fèi)和維護(hù)費(fèi)外，不消耗燃料，無三廢處理問題。其成本接近火電，低于油電、核電，從綜合經(jīng)濟(jì)效益看，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。（5）風(fēng)力發(fā)電在新能源發(fā)電中技術(shù)最成熟。商品化機(jī)組單機(jī)容量達(dá)到2MW，故障率已下降5%以內(nèi)7，是一種安全、可靠的能源利用方式。預(yù)計(jì)在本世紀(jì)，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電將占主導(dǎo)地位。（6）風(fēng)力發(fā)電機(jī)分散安裝，占地面積小。監(jiān)控系統(tǒng)與塔架合為一體，加上箱式變壓器其建筑面積為風(fēng)電場(chǎng)總面積的1%6，其余廣大土地仍可供農(nóng)、林、牧使用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀產(chǎn)品參數(shù)化

10、建模技術(shù)及其研究現(xiàn)狀與產(chǎn)品實(shí)物逆向設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的是基于產(chǎn)品需求參數(shù)的正向設(shè)計(jì)，其基礎(chǔ)手段是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。自90年代以后，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)入了開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化和智能化的發(fā)展時(shí)期，經(jīng)過20多年的探索，已由單純二維繪圖向三維智能設(shè)計(jì)、物性分析、動(dòng)態(tài)仿真方向發(fā)展，而參數(shù)化（Parametric）設(shè)計(jì)正向變量化和VGX（Variational Geometry Extended，即超變量化）方向發(fā)展，幾何造型、曲面造型、實(shí)體造型等則向特征造型以及語義特征造型等方向發(fā)展。幾何造型技術(shù)的充分應(yīng)用，使設(shè)計(jì)人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來，大大提高了產(chǎn)品開發(fā)速度。參數(shù)化設(shè)計(jì)（也即尺寸驅(qū)動(dòng)D

11、imension-Driven）即是在這樣的實(shí)際應(yīng)用需求中提出的，也是目前正在探討的課題。參數(shù)化設(shè)計(jì)通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制對(duì)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，解決在特定情況或全約束條件下結(jié)構(gòu)形式比較定型的設(shè)計(jì)問題，參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象的控制尺寸之間有顯式的對(duì)應(yīng)關(guān)系，約束求解比較簡(jiǎn)單。如打算修改零件形狀時(shí)，只需編輯一下尺寸的數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)形狀上的改變。其主要技術(shù)特點(diǎn)是：基于特征、全尺寸約束、尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改、全數(shù)據(jù)相關(guān)。尺寸驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為當(dāng)今造型系統(tǒng)的基本功能，無此功能的造型系統(tǒng)已無法生存。參數(shù)化與變量化相比較，參數(shù)化系統(tǒng)特別適用于那些技術(shù)已相當(dāng)穩(wěn)定成熟的零配件行業(yè)，零件形狀基本固定，且改變很少，通常只需采用類比設(shè)計(jì)，即只需改

12、變一些關(guān)鍵尺寸就可以得到新的系列化設(shè)計(jì)結(jié)果。而變量化系統(tǒng)除了適合一般的系列化零件設(shè)計(jì)以外，在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)時(shí)特別得心應(yīng)手，比較適用于新產(chǎn)品開發(fā)、老產(chǎn)品改形設(shè)計(jì)這類創(chuàng)新式設(shè)計(jì)。目前參數(shù)化技術(shù)可以大致分為以下幾種方法：（1）基于幾何約束的數(shù)學(xué)方法。數(shù)學(xué)方法又分為初等方法（Primary Approach）和代數(shù)方法（Algebraic Approach）。初等方法利用預(yù)先設(shè)定的算法，求解一些特定的幾何約束。這種方法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但僅適用于只有水平和垂直方向約束的場(chǎng)合；代數(shù)法則將幾何約束轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗幸蕴卣鼽c(diǎn)為變?cè)姆蔷€性方程組，對(duì)于給定的約束，通過數(shù)值方法解非線性方程組。一次解出所有特征點(diǎn)的坐標(biāo)值，

13、確定出幾何細(xì)節(jié)，但該方程組求解較困難，實(shí)際應(yīng)用受到限制。（2）基于幾何原理的人工智能方法。人工智能的發(fā)展，促進(jìn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，產(chǎn)生了幾何推理法。這種方法又有兩個(gè)方面：一是建立在專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)圖形中的幾何關(guān)系和約束進(jìn)行理解，運(yùn)用幾何原理推導(dǎo)出新的約束，這種方法可檢驗(yàn)幾何約束模型的合理性并能處理局部修改，但系統(tǒng)龐大，對(duì)遞歸約束無法處理。二是擴(kuò)展現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使其包含拓?fù)湫畔?，并通過程序?qū)崿F(xiàn)從幾何約束到幾何細(xì)節(jié)的推理。（3）基于特征模型的造型方法。特征造型方法是三維實(shí)體造型技術(shù)的發(fā)展，特征是作為捕捉設(shè)計(jì)者意圖的方式而提出的，以取代用直線、圓弧、圓等基本幾何元素構(gòu)圖的方式。特征實(shí)體具有

14、一定的優(yōu)點(diǎn)，它們不但具有明確的工藝特征結(jié)構(gòu)，而且能始終記憶自己的功能屬性和與其它相關(guān)實(shí)體的適應(yīng)關(guān)系。修改某一特征實(shí)體，會(huì)自動(dòng)引起整個(gè)設(shè)計(jì)模型的相關(guān)變化，其中包括實(shí)體本身的物理量（如質(zhì)心和慣性矩等數(shù)據(jù)）的變化。例如，孔特征會(huì)始終記憶自己當(dāng)前的形狀、位置和負(fù)體積特征，機(jī)械設(shè)計(jì)師能利用自己熟悉的工藝特征（如孔、倒角、倒圓等），而非純幾何意義上的體素來組織設(shè)計(jì)意圖，使設(shè)計(jì)變得容易。（4）基于關(guān)系的建模方法。以關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)化模型是德國(guó)西門子公司首先提出來的。在系統(tǒng)內(nèi)，關(guān)系可建立在所在系統(tǒng)能識(shí)別的對(duì)象之間，也可在任意大的模型中建立任意復(fù)雜的關(guān)系模型，這種關(guān)系的建立過程是以符合設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)習(xí)慣的、非

15、常簡(jiǎn)便自然的方式進(jìn)行的。關(guān)系模型的建立能方便地進(jìn)行修改以適應(yīng)不同用戶的特殊要求，從而大大提高設(shè)計(jì)速度。蘇高峰等的UG環(huán)境下葉片曲面參數(shù)分析7，江志林等基于UG的液力變距器葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)8，馬靜等的軸流風(fēng)機(jī)機(jī)翼型葉片參數(shù)化建模方法9，李群等的基于UG的發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪三維造型研究10，充分運(yùn)用了CAD幾何建模技術(shù)，由于葉輪形狀的特殊性，均著力采用了參數(shù)化特征建模方法，使葉輪產(chǎn)品的建模設(shè)計(jì)更加迅捷。1.2.2發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)今制造業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)依靠建模技術(shù)的發(fā)展，也已經(jīng)逐漸從2D轉(zhuǎn)移到3D，三維CAD不僅僅是二維CAD的升級(jí)，還包含裝配模擬及檢驗(yàn)，以及外圍的CAE和CAM等輔助功能，使建模過程始終與最終產(chǎn)品

16、緊密相關(guān)，讓設(shè)計(jì)過程進(jìn)入全新的境界，徹底改變了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)習(xí)慣，大幅度的提高了設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)質(zhì)量，蘊(yùn)含著強(qiáng)大的生命力，不僅廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、造船、機(jī)械、建筑和電子等行業(yè)，而且在類似葉輪的復(fù)雜零件的造型技術(shù)方面也有許多研究和應(yīng)用。參數(shù)化/變量化設(shè)計(jì)與特征造型技術(shù)相結(jié)合是目前三維實(shí)體造型技術(shù)的發(fā)展，基于特征的參數(shù)化建模方法已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)STEP的集成產(chǎn)品信息模型（IPIM）的核心，現(xiàn)在許多著名的CAD系統(tǒng)，如UGNX、IDEAS、Pro-E等均具有參數(shù)化特征設(shè)計(jì)功能。2基本概念及原理葉片由上下兩個(gè)半殼組成，并且有兩個(gè)單向梁帽和兩個(gè)多向的由夾層構(gòu)成的抗剪腹板組成的梁作為結(jié)構(gòu)支撐。2.1翼型

17、結(jié)構(gòu)基本概念 翼型的氣動(dòng)性能直接與翼型外形有關(guān)。圖2所示在風(fēng)輪半徑為處取寬度為的葉素。通常，翼型外形由下列幾何參數(shù)決定。（1）翼的前緣A：翼的頭部A為圓頭；（2）翼的后緣B：翼的尾部B為尖形；（3）翼弦C：翼的前緣A與后緣B的連線稱為翼的弦，AB的長(zhǎng)度是翼的弦長(zhǎng)C；（4）中弧線：翼型內(nèi)切圓圓心的連線中心為中弧線，對(duì)稱翼型中弧線與翼弦重合；（5） 翼的上表面Upper：翼弦上面的弧面；（6）翼的下表面Lower：翼弦下面的弧面；（7）葉片安裝角：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與翼弦所成的角，又稱扭轉(zhuǎn)角、傾角、節(jié)距角；（8）攻角：翼弦與相對(duì)風(fēng)速所成的角，又稱迎角；（9）來流角：旋轉(zhuǎn)平面與相對(duì)風(fēng)速所成的角，又稱相對(duì)風(fēng)

18、向角；（10）最大厚度及最大厚度：采用如圖2所示的直角坐標(biāo)系，X軸與翼弦重合，Y軸過前緣點(diǎn)A且垂直向上。在X軸上方的弧線為上翼面，以表示；下方的弧線為下翼面，以表示。對(duì)應(yīng)同一坐標(biāo)的上下翼點(diǎn)距為翼型的高度，以表示，見圖3。厚度隨的變化稱為厚度分布，以表示。 (1)當(dāng)時(shí)，稱最大厚度，以表示；稱為最大相對(duì)厚度，為最大厚度位置，其無量綱為。通常，翼型的相對(duì)厚度即指最大相對(duì)厚度，以表示。（11）彎度與彎度分布：翼型中弧線和翼弦間的高度稱為翼型的彎度，弧高沿翼弦的變化稱為彎度分布，以表示： (2)當(dāng)，稱為最大彎度，以f表示：稱為最大相對(duì)彎度，為最大彎度位置，其無量綱為。同樣，通常翼型的相對(duì)彎度指最大相對(duì)彎

19、圖2 翼型的幾何參數(shù)圖3 翼型的結(jié)構(gòu)示意圖 2.2翼型空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)概念假定翼型處于靜止?fàn)顟B(tài)，令空氣以相同的相對(duì)速度吹向葉片時(shí)，作用在翼型上的氣動(dòng)力將不改變其大小?？諝鈩?dòng)力只取決于相對(duì)速度和攻角的大小。因此，為便于研究，均假定翼型靜止處于均勻來流速度中。由于受翼型表面形狀的干擾，作用在翼型表面上的空氣壓力是不均勻的。翼型的上表面壓力低于周圍氣壓，稱為吸力面；下表面壓力則高于周圍氣壓，稱為壓力面。由伯努利理論，翼型上表面的氣流速度較高，下表面的氣流速度則比來流低。因此，圍繞翼型的流動(dòng)可看成由兩個(gè)不同的流動(dòng)組合而成（圖4），一個(gè)是將翼型置于均勻流場(chǎng)時(shí)圍繞翼型的零升力流動(dòng)；另一個(gè)是空氣環(huán)繞翼型表面的

20、流動(dòng)。 圖4 氣流圍繞葉素的流動(dòng)為了表示壓力沿表面的變化，可作翼型表面的垂線，用垂線的長(zhǎng)度表示各部分壓力的大小（圖5）：圖5 葉素上下表面壓差圖圖6 葉素受力圖 (3)式中：P 翼型表面上的靜壓； 無限遠(yuǎn)處的來流密度； 無限遠(yuǎn)處的來流氣壓； 無限遠(yuǎn)處的來流速度。翼型受到的升力是由上述空氣環(huán)繞翼型表面的流動(dòng)形成的，作用在葉素上的作用力如圖6所示：其中：F作用在葉素上的氣動(dòng)力，與翼弦AB垂直9， (4)作用在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上的升力，與速度v垂直10， (5)作用在垂直風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面上的阻力，與速度v平行10 ， (6)式中：S 翼展面積，即弦長(zhǎng)X翼展長(zhǎng)度；Cr 氣動(dòng)系數(shù)； 升力系數(shù)； 阻力系數(shù)。因?yàn)樯?/p>

21、力、阻力相互垂直，故： (7)風(fēng)輪依靠作用在壓力中心點(diǎn)的升力凡使風(fēng)輪在其安裝平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。2.3風(fēng)機(jī)葉片的特征分析葉片的設(shè)計(jì)初衷就是獲得動(dòng)力學(xué)效率和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的平衡，材料和工藝的選擇決定了葉片最終的實(shí)際厚度和成本。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在如何將設(shè)計(jì)原則和制造工藝相結(jié)合的工作中扮演著重要角色，設(shè)計(jì)人員必須找出在保證性能與降低成本之間的最優(yōu)方案。由于本設(shè)計(jì)主要目的是對(duì)葉片建模，所以只對(duì)以下特征分析。2.3.1葉片受力分析葉片上承受的推力驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，推力的分布不是均勻的而是與葉片長(zhǎng)度成比例分布。葉尖部承受的推力要大于葉根部。外部的推力除了驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，也會(huì)使其產(chǎn)生一定的彎曲。從葉根到葉尖彎曲程度逐漸加大。葉

22、尖處距離支點(diǎn)最遠(yuǎn)因此變形量最大。葉根承受最大的力矩，在葉尖處力矩為零。力矩和葉片位置關(guān)系圖如圖7。圖7 力矩和葉片位置關(guān)系圖因此在葉片設(shè)計(jì)中，葉根部具有最大的厚度和最高的強(qiáng)度，向葉尖部過渡的過程中厚度逐漸減小。這也符合空氣動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)要求：尖部弦長(zhǎng)最短，牽引力最為重要因此需要較薄的厚度。此外在強(qiáng)風(fēng)條件下葉片需要停轉(zhuǎn)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，葉尖部較薄的結(jié)構(gòu)更容易停下。葉根部的弦長(zhǎng)最大，產(chǎn)生的推力最小，葉殼鋪層厚度的增加可以提高推力。但是為了達(dá)到需要的強(qiáng)度和模量而設(shè)計(jì)的鋪層厚度已經(jīng)超過了氣動(dòng)設(shè)計(jì)所需要的最佳厚度，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合橫量。2.3.2幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)人員可以在不改變?nèi)~片幾何外形的條件下，通

23、過調(diào)整梁帽的薄厚來改變?nèi)~片性能，降低生產(chǎn)成本。厚度較薄的葉片需要配以更厚的梁帽，這樣做卻增加了生產(chǎn)成本。同時(shí)腹板強(qiáng)度也需要提高，但因?yàn)楹穸茸儽∷钥偟牟牧嫌昧繘]有明顯變化。綜上所述，幾何尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要從風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，載荷分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造成本等多方面綜合橫量才能獲得最佳的結(jié)果。3葉片參數(shù)化建模的UG實(shí)現(xiàn)3.1UGNX 7.0簡(jiǎn)介Unigraphics 軟件(簡(jiǎn)稱UG)起源于美國(guó)麥道飛機(jī)公司，六十年代成為商業(yè)化軟件，被眾多美國(guó)公司所采用，1991年并入U(xiǎn)GS PLM SOLUTIONS公司，目前被并入西門子公司。多年來，UG軟件匯集了美國(guó)航空航天與汽車工業(yè)的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展成為世界一流的集成化機(jī)

24、械CAD/CAE/CAM軟件。它提供了完整的產(chǎn)品工程(TPE)解決方案，能夠進(jìn)行離散型產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程分析和產(chǎn)品驗(yàn)證，不但擁有功能強(qiáng)大的實(shí)體混合建模核心技術(shù)，提供高效能的曲面構(gòu)建能力，完成最復(fù)雜的造型設(shè)計(jì)；并且為不同的加工方法，從轉(zhuǎn)孔、線切割，到五聯(lián)動(dòng)銑削加工，到機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真，提出了一個(gè)統(tǒng)一的制造解決方案，工藝模式、工藝規(guī)劃與優(yōu)化、刀具管理等直接同主設(shè)計(jì)模型相連，并完全在數(shù)字化的環(huán)境中建立并捕獲其3D產(chǎn)品定義信息，是目前市場(chǎng)上功能極致的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工工具，廣泛地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的航空航天、汽車、通用機(jī)械及模具等各個(gè)領(lǐng)域。3.2實(shí)現(xiàn)方法使用UGNX 7.0軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)需要

25、，自由地選擇建方法，包括參數(shù)化建模、實(shí)體建模以及表面建模，并以交互模式生成和編輯復(fù)雜的實(shí)體模型。基于實(shí)體混合建模的特征和約束，特征以參數(shù)形式定義，便于進(jìn)行基于大小和位置的尺寸編輯和驅(qū)動(dòng)；約束則通過設(shè)計(jì)中的不同部件間的數(shù)學(xué)關(guān)系來定義，將各種需求和設(shè)計(jì)限制結(jié)合在一起。使得設(shè)計(jì)者可以通過直接編輯實(shí)體特征的尺寸，或通過使用其他幾何編輯和構(gòu)造技巧，生成和編輯更逼真的產(chǎn)品模型，而花費(fèi)的力氣要比使用傳統(tǒng)的基于線框和實(shí)體的系統(tǒng)少得多。為了充分發(fā)揮軟件的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，首先應(yīng)當(dāng)認(rèn)真分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，在大腦中思好產(chǎn)品的各個(gè)部分之間的關(guān)系，充分了解設(shè)計(jì)意圖，然后用UGNX 7.0軟件提供的強(qiáng)大的設(shè)計(jì)及編輯工具把設(shè)計(jì)意圖反映

26、到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中去。下面從UGNX 7.0軟件中的建模功能入手，分析實(shí)現(xiàn)葉片參數(shù)化特征建模的具體方法。3.2.1草圖功能草圖（Sketch）功能是UG軟件建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)，具有十分柔性的約束和尺寸編輯功能。使用草圖功能徒手畫出曲線“輪廓”的草圖并標(biāo)注尺寸，根據(jù)設(shè)計(jì)的合理化和功能要求，捕捉零件的設(shè)計(jì)意圖，使零部件的粗略概念在草圖中展現(xiàn)出來并受到約束。然后就可以掃掠（拉伸或旋轉(zhuǎn)）此草圖以生成一個(gè)實(shí)體或片體。這樣確保了當(dāng)設(shè)計(jì)進(jìn)入下一個(gè)工程階段時(shí)，在編輯設(shè)計(jì)時(shí)不會(huì)丟失基本要求，并可以通過編輯尺寸和生成幾何對(duì)象間的關(guān)系完善草圖，以便精確地表示設(shè)計(jì)對(duì)象。編輯草圖的尺寸不僅會(huì)修改草圖的幾何圖形，還會(huì)修

27、改從草圖生成的體，體現(xiàn)了UG草圖功能的智能化和雙向關(guān)聯(lián)性。例如，由草圖旋轉(zhuǎn)成形，由草圖拉伸成形，由草圖掃描成形，由草圖構(gòu)成曲面，如圖8所示。在葉片的實(shí)體建模中，葉片可以通過葉片截面的草圖和引導(dǎo)線草圖經(jīng)過掃掠而生成；而用于修剪葉片的曲面，也可以在草圖環(huán)境中構(gòu)建修剪曲線，并通過旋轉(zhuǎn)曲線而生成。圖8 草圖功能3.2.2關(guān)聯(lián)性關(guān)聯(lián)性功能用來表示模型各部分之間的關(guān)系。這些關(guān)系是在設(shè)計(jì)者用不同的功能生成模型時(shí)建立的，而約束和關(guān)系是在模型創(chuàng)建過程中自動(dòng)捕捉到的。例如，一個(gè)通孔與此孔所穿過的模型上的面相關(guān)聯(lián)。如果之后改變了模型，這些面中的一個(gè)或兩個(gè)都移動(dòng)了，那么由于與這些面的關(guān)聯(lián)，此孔也將跟著改變并自動(dòng)更新。

28、對(duì)于葉片部分的特征，如果要實(shí)現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)，不僅需要依賴UG的草圖功能，即當(dāng)改變草圖中的尺寸或約束關(guān)系時(shí)，草圖以及由此生成的曲面、體以及特征之間的位置關(guān)系均會(huì)隨之而變，而且要通過建立一致的基準(zhǔn)參考、坐標(biāo)方向，以及確定相互的約束關(guān)系等，才能保證葉輪三大主要特征之間的準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)葉輪的整體改變。3.2.3用戶自定義特征通過使用用戶自定義特征功能可以生成并添加用戶自定義特征（UDFUser Defined Feature），針對(duì)目標(biāo)實(shí)體定義特征的形狀和功能，生成用戶自己定義的成形特征，并生成按照需求定制的特征庫，以使普遍使用的設(shè)計(jì)單元自動(dòng)化，同時(shí)擴(kuò)展UG內(nèi)置成形特征的范圍和功能。UG的成型特征有孔、槽

29、、鍵槽、圓臺(tái)、方凸臺(tái)等等，均可以附屬于某一平面或體，根據(jù)軟件的預(yù)設(shè)定和用戶的編輯而快速生成或更新。通過軟件的用戶自定義特征功能，可以生成葉片的參數(shù)化自定義特征，從而實(shí)現(xiàn)葉片快速生成與更新。對(duì)于某一模型的生成和編輯，采取的策略主要取決于該模型的形狀和復(fù)雜程度，而在一個(gè)模型的整個(gè)創(chuàng)建過程中往往需要使用多種不同的方式和方法。一般情況下，UG“建模”是從草圖開始，首先建立一個(gè)基本實(shí)體或片體，然后利用成形特征（Form Feature）在毛坯上添加或切除材料，再進(jìn)行局部的修整，即特征操作（Feature Operation），最后形成所需要的零件模型。3.3參數(shù)化特征建模3.3.1葉片坐標(biāo)數(shù)據(jù)本設(shè)計(jì)選取

30、型號(hào)為T40的軸流式風(fēng)機(jī)，查找其葉片參數(shù)值，并通過UG實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模。葉片外形設(shè)計(jì)的主要參數(shù)有葉輪直徑、葉片數(shù)、葉片剖面翼型、翼型的弦長(zhǎng)和安裝角。根據(jù)通風(fēng)機(jī)廠給出的二維圖紙，不難看出上述參數(shù)。葉片是由若干個(gè)截面按一定規(guī)律掃掠而成的，所以風(fēng)機(jī)葉片在UG中建模中，如何生成截面是最重要。首先要確定出葉片幾個(gè)截面的形狀大小。葉片坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集見下表。表1 葉片坐標(biāo)數(shù)據(jù)根部0102030405060-7.6-5.2-3-2-1-0.4-0.2頂部10203040506063100101.6103103.8104104.80根部708090100110120126-0.3-0.8-2-3-4.8-6.8-7

31、.6頂部63708090100110115105104.7103.8103.5102.1101100打開UGNX 7.0軟件，點(diǎn)擊【建?！恐噶?，文件命名為“yepian.prt”，進(jìn)入建模頁面，點(diǎn)擊下拉菜單【插入】【基準(zhǔn)/點(diǎn)】【點(diǎn)】，彈出【點(diǎn)】的對(duì)話框。參數(shù)設(shè)置如圖9。圖9 點(diǎn)輸入?yún)?shù)設(shè)置依次輸入表中各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，結(jié)果如圖10。圖10 葉片數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)顯示圖3.3.2繪制邊界曲線單擊下拉菜單【插入】【曲線】【藝術(shù)樣條】，彈出“樣條”對(duì)話框。設(shè)置樣條曲線的階次為“三次”，依次繪制葉片展開圖的曲線，參數(shù)設(shè)置如圖11所示。圖11 藝術(shù)樣條參數(shù)設(shè)置結(jié)果如圖12。圖12 邊界曲線圖3.3.3繪制各截面曲線

32、葉片扭曲后的各截面尺寸見表2。表2 葉片扭曲后各截面尺寸截面R(mm)B12951052270110324511542201205195125單擊下拉菜單【插入】【基準(zhǔn)點(diǎn)】【基準(zhǔn)平面】，彈出“基準(zhǔn)平面”對(duì)話框。依次建立如圖14所示距離為25mm的五個(gè)平行的基準(zhǔn)平面，這五個(gè)基準(zhǔn)平面分別與五個(gè)截面對(duì)應(yīng)。參數(shù)設(shè)置如圖13。圖13 基準(zhǔn)平面參數(shù)設(shè)置所得結(jié)果如圖14所示。圖14 基準(zhǔn)平面圖單擊【草圖】工具，選擇與截面1對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)平面，選擇【反向】，根據(jù)扭曲后截面尺寸表2中的尺寸繪制截面曲線，如圖14所示。完成一個(gè)截面曲線后，點(diǎn)擊【完成草圖】。截面曲線見圖15。圖15 截面曲線圖按同樣步驟，分別繪制其余四個(gè)面的截面曲線，結(jié)果如圖16。圖16 各截面曲線圖點(diǎn)擊【完成草圖】，得到截面